太阳能光伏应用技术及其发展前景

随着经济的发展，社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。目前太阳能应用技术已取得较大突破，并且已较成熟地应用于建筑楼道照明、城市亮化照明、太阳能热水供应及采暖等系统。尤其是太阳能光伏技术的发展，给太阳能在照明中的应用带来了更加广阔的前景。

1 太阳能光伏发电市场前景广阔

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。

目前，许多国家正在制订中长期太阳能开发计划，准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划，日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为7MW，同时还推出了“太阳能路灯计划”，旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电800度。日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。

目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。

太阳能电池光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。

2 太阳能电池的功能、种类与结构

太阳能光伏技术是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的技术。太阳能光伏技术它属于太阳能光利用。通常所说的光伏技术也可以说是太阳能电池技术。太阳能光伏系统主要包括：太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、照明负载等。当照明负载为直流时，则不用逆变器。太阳能电池根据所用材料的不同还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

（1）硅太阳能电池。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。①单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难。②多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。③非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

（2）多元化合物薄膜太阳能电池。多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。

（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池。以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。

（4）纳米晶太阳能电池。纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，寿命能达到2O年以上，估计不久的将来会逐步走上市场。

（5）有机太阳能电池。有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。如今量产的太阳能电池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它无机材料制成的。

太阳能电池的优点：太阳能取之不尽，用之不竭；太阳能避免长距离供电，可就近供电；太阳能发电系统采用模块化安装，建设周期短；太阳能发电安全，不受能源危机影响；太阳能发电没有运动部件，维护简单；不用燃料，不产生废物，清洁。

太阳能电池的缺点：太阳能发电受气候条件限制，存在间歇性，须配备储能装置；能量密度低，大规模使用需用较大面积；发电成本高，相对投资大。

3 太阳能光伏发电的基本原理

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。阳光发电，其基本原理就是“光伏效应”。太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。常用的单一电池是一只硅晶体二极管，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，形成内建静电场。

太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。光-热-电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，而照明用主要是光-电直接转换方式，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

4 光伏发电的产品用途及太阳电池的应用领域

光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能 草坪灯等各种灯具等；三是并网发电，这在发达国家己经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，2008年北京“绿色奥运”部分用电也是由太阳能发电和风力发电提供。

我国太阳电池应用领域在不断扩大，已涉及农业、牧业、林业、交通运输、通讯、气象、石油管道、文化教育及家庭电源等诸多方面，光伏发电在解决偏僻边远无电地区供电及许多殊场合用电上已起到引人注目的作用。但从总体的应用技术水平和规模上看，与工业发达国家相比仅有很大的差距，主要问题是光伏系统造价偏高、系统配套工程装备没有产业化、应用示范不够和公众对太阳电池应用的巨大潜力缺乏了解以及系统应用仅限于独立运行，还没有并网运行和与建筑业结合。因此，有必要加强太阳电池应用技术研究和示范，推进产业化，拓宽应用领域和市场。

5 太阳能电池产业的发展前景

太阳能等新能源为世界经济展望中最具决定性影响的技术领域之一，而太阳能光伏发电又是其中最受瞩目的项目之一。

随着太阳能光电技术的日趋成熟和商业化发展，太阳能光电技术的推广应用有了长足的进展。目前，各国的光伏计划雄心勃勃，世界各地已建成多座兆瓦级光伏电站，如最大的是位于美国加州的光伏电站，容量为6.5MWp，现正在希腊克里特岛建造的一座阳光电站，容量为50MWp。除此之外，一些国家推出的屋顶计划将更引人注目，显示了阳光发电的广阔应用前景和强大的生命力。各国屋顶计划的实施，将有力地促进太阳能光电的应用普及，使太阳能光电进入千家万户。2010年世界的光电池组件交易量达到700～4000MW/年。近期将以高效晶体硅电池为主，然后逐步过渡到薄膜太阳能电池和各种新型太阳能光电池的发展。应用上将从屋顶系统突破，逐步过渡到与建筑一体化的大型并网光伏电站的发展。

我国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使我国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给我国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。我国2003年太阳能能电池产量58.5MW，到2006年已达到370MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，产能则可能达到惊人的1180MW。以3年产量增长45倍，产能增加125倍而成为全球发展最快的国家。

为配合西部大开发，我国政府实施了“阳光计划”、“乘风计划”和“光明工程”等，利用太阳能发电和风力发电为解决西部广大无电地区农牧民生活生产用电，这一工程配套资金20多亿人民币。我国光伏发电产品的市场主要在西部，另有部分产品出口，如组件、小系统和日用太阳能电子产品等。由于国内太阳能电池晶片产量远远不能满足需求，许多厂家进口大量电池片封装组件。在光伏产业方面，深圳占有部分江山，产品加工能力、产品质量和销量在国内外都有一定的影响。从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光-电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。